CN116604036A - 一种钨及钨合金光栅的3d打印方法 - Google Patents

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胡忠娟
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朱晓峰
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唐开龙
罗建军
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Abstract

本发明公开了一种钨及钨合金光栅的3D打印方法，具体包括：(1)粉末选取和混合；(2)安装基板；(3)模型处理；(4)建立支撑；(5)模型切片；(6)激光扫描路径的选择；(7)打印工件；(8)热处理；(9)切割工件；(10)去除毛刺；(11)清洗烘干。本发明采用一套严格的激光3D增材制造及后处理方法，包括选粉、打印、热处理、表面处理等工序，整个过程中各种因素相互交叉影响，能够批量生产高精密的2D‑钨及钨合金光栅。

Description

一种钨及钨合金光栅的3D打印方法
技术领域
本发明涉及技术领域，具体是一种钨及钨合金光栅的3D打印方法。
背景技术
CT机X射线探测器是检查成像的核心部件，是CT机整机性能保证和生产成本控制的关键步骤和技术。CT机X射线探测器由X射线准直器、准直器支架和光电转换模块三个主要部分构成。其中的X射线准直器，多年来一直沿用1D的结构形式。该结构采用传统粉末冶金制备和深加工技术和精密组装技术，可以满足常规的一般医疗需求，但随着医疗高端影像行业发展和高精度诊疗的需求，快速精确识别和诊疗，需要更精密的准直格栅，X射线准直器格栅开始从1D向2D的升级换代。目前市场上2D准直格栅主要采用金属3D打印方法。该方法虽然在加工复杂的2D-W/W合金光栅零件上有着巨大的优势，但是由于2D准直格栅的特殊性和高精度要求(W的熔点极高3422℃，壁厚只有0.08mm，位置和形位精度要求在0.015mm以内，致密度＞97％)，因此常规的金属3D打印方法存在很多问题：比如产品内应力过大，易使产品产生开裂、扭曲、变形等缺陷；比如2D准直器内孔存在大量毛刺，将影响X射线的穿透均匀性；又比如打印件的精密加工，不合适的切割工艺，导致产品的加工变形和加工精度差；以上问题都极大地影响了产品的良率，进而导致生产成本居高不下。
综上所述，现有普通机械加工制造的方法无法生产该复杂光栅。此外，现有金属3D打印方法生产难度大，稳定性差。这是因为其综合指标0.08-0.1mm壁厚、形位公差小于0.015mm、致密度＞97％等要求非常高。具体存在以下难点：
难点1∶容易破损开裂。3D打印钨及钨合金格栅由0.08-0.25mm薄壁交叉，组合而成网格结构，部分产品上带有安装结构(耳朵结构，为实体)，网格部分较薄，强度低，有一定脆性。
难点2：裂纹、开裂、扭曲。耳朵部分与网格部分差异大，其中耳朵部分全实体结构，强度高，而网格部分则正好相反。两者内部应力不一，结合起来易产生搭接处裂纹、开裂、扭曲等问题，导致产品成品率低。
难点3：现有金属3D打印方法打印的壁厚受激光光斑的大小、打印路径、球形粉末粒径等设置有关，受技术限制目前的金属3D打印市场上无法做到壁厚＜0.1mm，且位置精度＜0.015mm的高致密钨/钨合金制品。
难点4：金属3D打印制品的毛刺难以处理，上千个细孔中(1*1*30mm)内壁上粘接残留大量的粉末，通常都在20微米以上，一般的处理方法很难将内壁处理干净，这将直接影响到X射线穿透细孔的效率，继而影响产品的使用功能性。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺陷和不足，提供一种钨及钨合金光栅的3D打印方法，。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种钨及钨合金光栅的3D打印方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1.粉末选取和混合：选取粒度小于5μm和5-45μm且粒度皆呈正态分布的两种钨或钨合金粉末，对两种钨或钨合金粉末进行混合，使得两种钨或钨合金粉末中的不同大小和不同材质的颗粒分布均匀，得到混合粉末；
S2.安装基板：选取高热稳定性材质的基板，将基板固定安装在3D打印机打印平台上，并分别对基板和混合粉末进行预热；
S3.模型处理：依据所打印的钨及钨合金光栅的模型或结构图建立3D模型，并将所建立的3D模型拆分成网格部分和实体部分，并分别另存为网格部分模型文件和实体部分模型文件；
S4.建立支撑：将经步骤S3处理好的3D模型导入3D打印软件，并将3D模型放置于3D打印软件的虚拟打印平台上，并摆正，使得3D模型的底面与虚拟打印平台之间具有5mm的间隙，然后在所述的间隙内添加支撑；
S5.模型切片：设置打印参数为：层厚为0.02-0.06mm，扫描速度为300-800mm/s，3D打印机的激光功率为120-200W，3D打印机的激光扫描速度为800-1200mm/s，设置好打印参数后进行切片；
S6.激光扫描路径的选择：针对钨及钨合金光栅的网格部分采用轮廓路径和阻塞路径，针对钨及钨合金光栅的实体部分采用近似于阿基米德螺旋线的回形路径；
S7.打印工件：将切片完成后所形成的JOB文件导入3D打印机，调整好3D打印机，将预热好的干燥混合粉末装填到3D打印机的粉仓中，开始3D打印；
S8.热处理：将3D打印完成的工件连同基板一起置于氢气气氛保护炉中进行热处理；
S9.切割工件：采用慢走丝线切割方式贴着基板表面将热处理后的工件切割下；
S10.去除毛刺：采用装夹工装，竖直装夹切割下的工件，使得所述工件呈上下通透设置，对工件进行喷砂处理或者磨粒流处理，去除去除工件的孔壁毛刺以及切割产生的切割毛刺；
S11.清洗烘干：对去除毛刺后的工件进行超声波清洗和烘干。
进一步的，所述的步骤S1中，采用三维混料机对两种钨或钨合金粉末进行混合，混合时间为2-8h，三维混料机的转速为5-20r/min；粒度小于5μm的钨或钨合金粉末与粒度为5-45μm的钨或钨合金粉末的混合比例为1∶(5-10)。
进一步的，所述的步骤S2中，基板的材质选用纯钼、钼合金、纯钨、钨合金、纯锆或锆合金。
进一步的，所述的步骤S2中，开启基板底部自带的电加热装置对基板进行预热，预热温度为150-400℃，预热时间为30-120min；将混合粉末送入干燥箱中进行预热，预热温度为100-120℃，时间为60-80min。
进一步的，所述的步骤S6中，相邻回形路径之间的间隔为2-5丝。
进一步的，所述的步骤S8中，热处理温度为500-1500℃，保温时间为1-10h。
进一步的，所述的步骤S10中，喷砂处理采用300-1500目的SiC、氧化铝或金刚石为磨料，磨料的浓度为1-50％，进气压强为0.1-0.6Mpa，喷砂处理时间为2-60min。
进一步的，所述的步骤S10中，所述的装夹工装包括有相固定连接的上工装和下工装，所述下工装的内部设有贯穿其上下端面的定位腔，用于装夹所述的工件，所述上工装的内部设有贯穿其上下端面且与所述定位腔相通的磨料流道，上工装的顶面上密封连接有喷嘴，所述喷嘴的内部设有与所述磨料流道相通的磨料喷射腔，喷嘴的顶部和一侧分别对应设有与所述的磨料喷射腔相通的磨料接口和压缩空气接口。
进一步的，所述的步骤S10中，磨粒流处理采用10-80μm的碳化硅、碳化硼或氧化铝作为磨料，挤压压力，即推动磨料运动的压力为2-20Mpa，磨粒流处理时间为5-60min。
进一步的，所述的步骤S11中，超声波频率为25-53khz，清洗时间为5-30min，水温为25-80℃；烘干温度为50-120℃，烘干时间为5-120min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用粒度皆呈正态分布的两种不同粒度的钨或钨合金粉末，并按一定比例混合在一起，小粒度的粉末对大粒度粉末堆积间的空隙进行进一步的填充，有利于提高打印出的产品的致密性和强度；
2、本发明的基板采用纯钼、钼合金、纯钨、钨合金、纯锆或锆合金等高热稳定性材质，与所打印的钨及钨合金光栅具有一致的热膨胀系数，最大限度的减少了钨及钨合金光栅的打印内应力；
3、本发明在打印前对基板和粉末进行预热，有利于提高粉末的流动性，降低了钨及钨合金光栅的打印内应力。
4、本发明对钨及钨合金光栅两端的耳朵部分(实体部分)采用渐进式的回形路径，类似于阿基米德螺旋线，有利于打印热量的均匀分散，使工件更均匀，内应力更低；
5、本发明在氢气的气氛下，将工件连同基板进行热处理，能够在落料前去除工件内部的残余应力，避免落料后工件开裂，且氢气的气氛，在保证工件在高温下不被氧化的基础上，更有利于使工件表面均匀化。
6、本发明采用慢走丝线切割方式进行切割，并配合自制的切割工装，保证了产品在加工过程中的精度；
7、针对现有多采用喷砂处理或磨粒流对工件进行简单处理，由此产生对于产品表面处理效果较好，而对产品内孔处理效果差的问题，本发明采用3D打印和热处理的优化，再经过喷砂或磨粒流的贯穿作用，较好的解决了细孔毛刺的去除难题。
综上所述，本发明采用一套严格的激光3D增材制造及后处理方法，包括选粉、打印、热处理、表面处理等工序，整个过程中各种因素相互交叉影响，能够批量生产满足如下技术条件的2D-钨及钨合金光栅。
(1)97％的致密度；
(2)产品无扭曲，平面度达到0.01mm；
(3)筋的壁厚控制在0.08mm，无破损；
(4)各形位公差＜0.015mm；
(5)产品整体均匀，无裂纹；
(6)细孔毛刺去除干净，X射线通过率达到99％。
附图说明
图1为经本发明的3D打印方法生产的钨及钨合金光栅(即工件)与基板和支撑的结构示意图。
图2为本发明中装夹工装的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1、2，一种钨及钨合金光栅的3D打印方法，具体包括以下步骤：
步骤一、粉末选取和混合：
选取粒度为3μm和25μm且粒度皆呈正态分布的两种钨或钨合金粉末，采用三维混料机对两种钨或钨合金粉末进行混合，混合时间为6h，三维混料机的转速为18r/min，粒度为3μm的钨或钨合金粉末与粒度为25μm的钨或钨合金粉末的混合比例为1∶8，使得两种钨或钨合金粉末中的不同大小和不同材质的颗粒分布均匀，得到混合粉末。
步骤二、安装基板：
选取纯钼、钼合金、纯钨、钨合金、纯锆或锆合金等高热稳定性材质的基板1，以此来最大限度的减少热膨胀变形的影响，减少打印过程中的热变形；再将基板1固定安装在3D打印机打印平台上，并分别对基板1和混合粉末进行预热。
具体的，预热过程为：
开启基板1底部自带的电加热装置对基板1进行预热，预热温度为400℃，预热时间为40min；将混合粉末送入干燥箱中进行预热，预热温度为120℃，时间为40min。
需要说明的是，对基板1进行预热可以是在3D打印机开始打印前进行。此外，预热后的干燥混合粉末可以立即装填到3D打印机的粉仓中。
步骤三、模型处理：
依据所打印的钨及钨合金光栅的模型或结构图建立3D模型，并将所建立的3D模型拆分成网格部分(即薄壁结构部分)和实体部分(即耳朵、安装端)，并分别另存为网格部分模型文件和实体部分模型文件。
步骤四、建立支撑：
将经步骤三处理好的3D模型导入3D打印软件，并将3D模型放置于3D打印软件的虚拟打印平台上，并摆正，使得3D模型的底面与虚拟打印平台之间具有5mm的间隙，然后在该5mm的间隙内添加支撑2。
步骤五、模型切片：
设置打印参数为：层厚为0.04mm，扫描速度为600mm/s，3D打印机的激光功率为150W，3D打印机的激光扫描速度为1000mm/s，设置好打印参数后进行切片。
步骤六、激光扫描路径的选择：
针对钨及钨合金光栅的网格部分采用轮廓路径和阻塞路径，针对钨及钨合金光栅的实体部分采用近似于阿基米德螺旋线的回形路径，相邻回形路径之间的间隔为3丝。
步骤七、打印工件：
将切片完成后所形成的JOB文件导入3D打印机，调整好3D打印机，将预热好的干燥混合粉末装填到3D打印机的粉仓中，开始3D打印。
步骤八、热处理：
将3D打印完成的工件3连同基板1一起置于氢气气氛保护炉中进行热处理。
具体的，热处理温度为1200℃，保温时间为6h。
步骤九、切割工件：
采用慢走丝线切割方式贴着基板1表面将热处理后的工件3切割下。
步骤十、去除毛刺：
采用装夹工装，竖直装夹切割下的工件3，使得工件3呈上下通透设置，对工件3进行喷砂处理或者磨粒流处理，去除去除工件3的孔壁毛刺以及切割产生的切割毛刺。
具体的，喷砂处理采用1200目的SiC、氧化铝或金刚石为磨料，磨料的浓度为30％，进气压强为0.4Mpa，喷砂处理时间为40min。
磨粒流处理采用40μm的碳化硅、碳化硼或氧化铝作为磨料，挤压压力，即推动磨料运动的压力为10Mpa，磨粒流处理时间为50min。
此外，装夹工装包括有相固定连接的上工装4和下工装5，下工装5的内部设有贯穿其上下端面的定位腔6，用于装夹工件3，上工装4的内部设有贯穿其上下端面且与定位腔6相通的磨料流道7，上工装4的顶面上密封连接有喷嘴8，喷嘴8的内部设有与磨料流道7相通的磨料喷射腔9，喷嘴8的顶部和一侧分别对应设有与磨料喷射腔9相通的磨料接口10和压缩空气接口11。
进一步的，下工装5与上工装4的结合面围绕定位腔6的四周，以及上工装4与喷嘴8的结合面围绕磨料流道7的四周均设有密封圈12，以此来起到很好的密封效果。
需要说明的是，竖直装夹工件3时，使得工件3的上部朝上，先将其放入定位腔6中，再将上工装4固定连接在下工装5上，以此来实现对工件3进行装夹。
步骤十一、清洗烘干：对去除毛刺后的工件进行超声波清洗和烘干。
具体的，超声波频率为40khz，清洗时间为20min，水温为50℃；烘干温度为100℃，烘干时间为90min。
相对于常规的打印方法，采用本发明的3D打印方法，能够显著提升对于钨及钨合金格栅的成品率，具体实验数据如下表所示：
由上表可知，相对于常规的打印方法，采用本发明的3D打印方法所打印出的钨及钨合金格栅，在TTV(即产品底面的平面度)＞0.02的数量、开裂数量以及位置度NG(即不合格)数量等方面，具有明显的下降，且合格率可达87.7％。
因此，采用本发明的3D打印方法，能够显著提升对于钨及钨合金格栅的成品率。
虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种钨及钨合金光栅的3D打印方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1.粉末选取和混合：选取粒度小于5μm和5-45μm且粒度皆呈正态分布的两种钨或钨合金粉末，对两种钨或钨合金粉末进行混合，使得两种钨或钨合金粉末中的不同大小和不同材质的颗粒分布均匀，得到混合粉末；
S2.安装基板：选取高热稳定性材质的基板，将基板固定安装在3D打印机打印平台上，并分别对基板和混合粉末进行预热；
S3.模型处理：依据所打印的钨及钨合金光栅的模型或结构图建立3D模型，并将所建立的3D模型拆分成网格部分和实体部分，并分别另存为网格部分模型文件和实体部分模型文件；
S4.建立支撑：将经步骤S3处理好的3D模型导入3D打印软件，并将3D模型放置于3D打印软件的虚拟打印平台上，并摆正，使得3D模型的底面与虚拟打印平台之间具有5mm的间隙，然后在所述的间隙内添加支撑；
S5.模型切片：设置打印参数为：层厚为0.02-0.06mm，扫描速度为300-800mm/s，3D打印机的激光功率为120-200W，3D打印机的激光扫描速度为800-1200mm/s，设置好打印参数后进行切片；
S6.激光扫描路径的选择：针对钨及钨合金光栅的网格部分采用轮廓路径和阻塞路径，针对钨及钨合金光栅的实体部分采用近似于阿基米德螺旋线的回形路径；
S7.打印工件：将切片完成后所形成的JOB文件导入3D打印机，调整好3D打印机，将预热好的干燥混合粉末装填到3D打印机的粉仓中，开始3D打印；
S8.热处理：将3D打印完成的工件连同基板一起置于氢气气氛保护炉中进行热处理；
S9.切割工件：采用慢走丝线切割方式贴着基板表面将热处理后的工件切割下；
S10.去除毛刺：采用装夹工装，竖直装夹切割下的工件，使得所述工件呈上下通透设置，对工件进行喷砂处理或者磨粒流处理，去除去除工件的孔壁毛刺以及切割产生的切割毛刺；
S11.清洗烘干：对去除毛刺后的工件进行超声波清洗和烘干。
2.根据权利要求1所述的一种钨及钨合金光栅的3D打印方法，其特征在于：所述的步骤S1中，采用三维混料机对两种钨或钨合金粉末进行混合，混合时间为2-8h，三维混料机的转速为5-20r/min；粒度小于5μm的钨或钨合金粉末与粒度为5-45μm的钨或钨合金粉末的混合比例为1∶(5-10)。
3.根据权利要求1所述的一种钨及钨合金光栅的3D打印方法，其特征在于：所述的步骤S2中，基板的材质选用纯钼、钼合金、纯钨、钨合金、纯锆或锆合金。
4.根据权利要求1所述的一种钨及钨合金光栅的3D打印方法，其特征在于：所述的步骤S2中，开启基板底部自带的电加热装置对基板进行预热，预热温度为150-400℃，预热时间为30-120min；将混合粉末送入干燥箱中进行预热，预热温度为100-120℃，时间为60-80min。
5.根据权利要求1所述的一种钨及钨合金光栅的3D打印方法，其特征在于：所述的步骤S6中，相邻回形路径之间的间隔为2-5丝。
6.根据权利要求1所述的一种钨及钨合金光栅的3D打印方法，其特征在于：所述的步骤S8中，热处理温度为500-1500℃，保温时间为1-10h。
7.根据权利要求1所述的一种钨及钨合金光栅的3D打印方法，其特征在于：所述的步骤S10中，喷砂处理采用300-1500目的SiC、氧化铝或金刚石为磨料，磨料的浓度为1-50％，进气压强为0.1-0.6Mpa，喷砂处理时间为2-60min。
8.根据权利要求7所述的一种钨及钨合金光栅的3D打印方法，其特征在于：所述的步骤S10中，所述的装夹工装包括有相固定连接的上工装和下工装，所述下工装的内部设有贯穿其上下端面的定位腔，用于装夹所述的工件，所述上工装的内部设有贯穿其上下端面且与所述定位腔相通的磨料流道，上工装的顶面上密封连接有喷嘴，所述喷嘴的内部设有与所述磨料流道相通的磨料喷射腔，喷嘴的顶部和一侧分别对应设有与所述的磨料喷射腔相通的磨料接口和压缩空气接口。
9.根据权利要求1所述的一种钨及钨合金光栅的3D打印方法，其特征在于：所述的步骤S10中，磨粒流处理采用10-80μm的碳化硅、碳化硼或氧化铝作为磨料，挤压压力，即推动磨料运动的压力为2-20Mpa，磨粒流处理时间为5-60min。
10.根据权利要求1所述的一种钨及钨合金光栅的3D打印方法，其特征在于：所述的步骤S11中，超声波频率为25-53khz，清洗时间为5-30min，水温为25-80℃；烘干温度为50-120℃，烘干时间为5-120min。
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